邵彬
(烏魯瓦提水力發(fā)電廠,新疆 和田 848000)
岔管供水不穩(wěn)定分析與處理
邵彬
(烏魯瓦提水力發(fā)電廠,新疆 和田 848000)
通過(guò)對(duì)烏魯瓦提水電廠的岔管供水方式進(jìn)行介紹,同時(shí)對(duì)岔管供水的壓力波動(dòng)和引起的頻率波動(dòng)進(jìn)行分析,采用選擇機(jī)組的運(yùn)行工況、調(diào)速器的運(yùn)行方式、改進(jìn)調(diào)節(jié)算法等方法抑制岔管供水對(duì)調(diào)速器調(diào)節(jié)所帶來(lái)的影響,使機(jī)組在孤網(wǎng)下運(yùn)行得以穩(wěn)定。
岔管;孤網(wǎng);調(diào)速器;參數(shù);算法
烏魯瓦提水電廠位于新疆和田喀拉喀什河中游,為壩后式電站,安裝有4臺(tái)15MW立軸混流式水輪發(fā)電機(jī)組,設(shè)計(jì)水頭78m,水庫(kù)多年平均水頭102m,4臺(tái)機(jī)組共用一根壓力鋼管,為非對(duì)稱Y型岔管方式[1],如圖1引水岔管示意圖所示。調(diào)速器為武漢三聯(lián)水電控制公司生產(chǎn)的BWT-80型PLC步進(jìn)式調(diào)速器。于2000年投入運(yùn)行,在2007年以前和田地區(qū)電網(wǎng)為孤立小電網(wǎng),總?cè)萘考s為100MW。烏魯瓦提水電廠作為第一調(diào)頻廠,一直以來(lái)?yè)?dān)負(fù)著地區(qū)電網(wǎng)的調(diào)峰調(diào)頻任務(wù)。由于電網(wǎng)較小,頻率容易波動(dòng),只要波動(dòng)稍稍較大就會(huì)引起電網(wǎng)頻率在45Hz~52HZ之間來(lái)回振蕩,導(dǎo)致低頻減載裝置頻繁動(dòng)作,給地區(qū)電網(wǎng)的運(yùn)行安全帶來(lái)極大的隱患,供電質(zhì)量嚴(yán)重低下,嚴(yán)重影響電網(wǎng)和機(jī)組的安全運(yùn)行。
圖1 引水岔管示意圖
烏魯瓦提水電廠裝機(jī)容量占據(jù)了全網(wǎng)的60%份額,且作為第一調(diào)頻廠,其頻率控制不穩(wěn)定,將會(huì)導(dǎo)致全網(wǎng)頻率變化范圍不合格。為了保證調(diào)頻的速動(dòng)性,四臺(tái)機(jī)組運(yùn)行中都處于孤網(wǎng)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)狀態(tài)。調(diào)速器參數(shù)給定也較為靈敏,如表1所示。
表1 調(diào)速器參數(shù)配置表
要分析其壓力波動(dòng)原因,必須首先對(duì)水流進(jìn)行分析。對(duì)于均質(zhì)水管中水擊壓力波傳播速度可按下式計(jì)算:
式中:E0為水的彈性系數(shù),一般為2.1×105N/cm2;E為管壁材料的彈性系數(shù),該處E=2.1×105N/cm2,D為管道直徑,該處支管220cm,主管503cm。δ為管壁厚度,a0為聲波在水中的傳播速度,一般為1435m/s。一般電站鋼管的 D/δ=50~200,多數(shù)情況下100左右,所以波速a通常在1000m/s左右[2]。水庫(kù)取水口到第一岔管段距離L=422m。
當(dāng)機(jī)組負(fù)載改變時(shí),機(jī)組轉(zhuǎn)速將發(fā)生變化,調(diào)速器動(dòng)作,導(dǎo)葉開(kāi)度發(fā)生變化,引起管道系統(tǒng)的水力瞬變,管壁所產(chǎn)生的水擊波從蝸殼處一方面經(jīng)過(guò)L/a=422m/1000m/s=0.422s到達(dá)水庫(kù),因水庫(kù)很大,庫(kù)水位不會(huì)因水擊影響而變化,故取水口壓力始終保持不變,于是水擊波在取水口處以同樣的數(shù)值發(fā)生反射,經(jīng)過(guò)2L/a=0.844s返回到本機(jī)蝸殼處,同時(shí)反射到其他三臺(tái)機(jī)組蝸殼處。另一方面水擊波直接經(jīng)過(guò)L/a=0.07s~0.05s到達(dá)相鄰機(jī)組。這樣直接和間接水擊引起相鄰機(jī)組負(fù)荷發(fā)生大幅度變化。加上前面所述,調(diào)速器參數(shù)較為靈敏,爭(zhēng)相調(diào)整頻率,再次造成大的水擊,如此反復(fù),惡性循環(huán)下去,導(dǎo)致4臺(tái)導(dǎo)葉接力器來(lái)回抽動(dòng),頻率處于大幅度振蕩狀態(tài)。
因此,可以總結(jié)出由于4臺(tái)機(jī)組具有共同的壓力引水總管即岔管供水,當(dāng)鄰近機(jī)組擾動(dòng)調(diào)節(jié),使水流產(chǎn)生較大的波動(dòng)時(shí),則此臺(tái)機(jī)組蝸殼內(nèi)的水壓也相應(yīng)產(chǎn)生波動(dòng),此波動(dòng)值對(duì)低水頭來(lái)說(shuō)就是一較大的相對(duì)變化量[3];對(duì)此機(jī)組轉(zhuǎn)輪而言,則是大幅度的水壓波動(dòng)值。此大波動(dòng)就迫使穩(wěn)定運(yùn)行的機(jī)組改變轉(zhuǎn)速,此調(diào)速器就產(chǎn)生自動(dòng)調(diào)節(jié)使之穩(wěn)定,并非是調(diào)速器本身的故障。為了證實(shí)此判斷的正確性,我們又特將這臺(tái)穩(wěn)定運(yùn)行的手動(dòng)運(yùn)行進(jìn)行觀察,當(dāng)鄰近機(jī)組不擾動(dòng)時(shí),該機(jī)組轉(zhuǎn)速在穩(wěn)定范圍之內(nèi);如鄰近機(jī)組擾動(dòng)時(shí),則中間機(jī)組轉(zhuǎn)速器就產(chǎn)生較大波動(dòng)。
通過(guò)上述分析,認(rèn)為岔管下機(jī)組相互間干擾引起壓力波動(dòng),導(dǎo)致頻率波動(dòng)和振蕩,為了減輕這種干擾,可以通過(guò)改變壓力鋼管共用方式,采用單機(jī)單供方式徹底解決壓力干擾問(wèn)題,但這與實(shí)際不相符,也不現(xiàn)實(shí),但可以通過(guò)以下幾種方式進(jìn)行抑制:
機(jī)組運(yùn)行在大網(wǎng)下,調(diào)速器一般處于功率調(diào)節(jié)或者開(kāi)度調(diào)節(jié)狀態(tài),而在孤網(wǎng)下時(shí),調(diào)速器處于轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)狀態(tài),但經(jīng)過(guò)現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際觀察,發(fā)現(xiàn)該調(diào)速器大網(wǎng)轉(zhuǎn)孤網(wǎng)時(shí)間較長(zhǎng)為40s,也就是說(shuō)調(diào)速器在大網(wǎng)下判斷頻率下降或升高超過(guò)頻率死區(qū)40s才進(jìn)行調(diào)節(jié)。而在孤網(wǎng)下,40s也就意味著頻率下降到很大數(shù)值,因此,此時(shí)再進(jìn)行調(diào)整將會(huì)導(dǎo)致頻率偏差極大,引起超調(diào)現(xiàn)象,而超調(diào)就可能引起壓力波動(dòng)較大。因此,合理的選擇大網(wǎng)轉(zhuǎn)孤網(wǎng)時(shí)間,將會(huì)使調(diào)速器處于合適的運(yùn)行工況下運(yùn)行,對(duì)調(diào)速器程序中將該時(shí)間改為5s。
原有調(diào)速器參數(shù)選擇如表1所示,4臺(tái)機(jī)組頻率人工死區(qū)設(shè)置均相差不大,而在地區(qū)孤網(wǎng)中,一般頻率變化范圍較大,處于±0.5Hz范圍,當(dāng)遇有大負(fù)荷投退時(shí)將遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)該值,且bP值一致,無(wú)法形成全廠機(jī)組的有差調(diào)節(jié),一旦頻率波動(dòng)較大時(shí),將會(huì)輕易引起4臺(tái)調(diào)速器共同調(diào)節(jié),導(dǎo)致調(diào)節(jié)力度過(guò)大而產(chǎn)生超調(diào)現(xiàn)象,因此,需要重新對(duì)參數(shù)進(jìn)行選擇,使各機(jī)組形成有差調(diào)節(jié),呈階梯調(diào)節(jié)方式,也就是當(dāng)頻率較小變動(dòng)時(shí),由一臺(tái)機(jī)組或兩臺(tái)機(jī)組擔(dān)任調(diào)節(jié)任務(wù),其他幾臺(tái)機(jī)組待命,逐漸減小頻率的波動(dòng)范圍,即使遇有大波動(dòng)的情況下,4臺(tái)機(jī)組同時(shí)調(diào)節(jié),由于合理設(shè)置了永態(tài)轉(zhuǎn)差系數(shù)bp,使調(diào)節(jié)力度不至于過(guò)度。見(jiàn)表2。
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調(diào)速器采用增量式PID調(diào)節(jié)規(guī)律,其算法表達(dá)式如下:
由式可見(jiàn)其 PID調(diào)節(jié)中與頻差△f(i)有著重要的聯(lián)系,機(jī)組靜態(tài)穩(wěn)定狀態(tài)下的等效表達(dá)式y(tǒng)c-y=(fc-fg)/50bp[5],式中:fc為頻率給定,單位是 Hz;fg為機(jī)組頻率,單位是Hz;bp永態(tài)轉(zhuǎn)差系數(shù);y為導(dǎo)葉接力器相對(duì)值,值范圍0~1;y為導(dǎo)葉接力器開(kāi)度給定相對(duì)值,取值范圍0~1。根據(jù)表達(dá)式可模擬頻率在4種情況下即50±0.3和50±0.8變動(dòng)下調(diào)速器的靜態(tài)特性數(shù)據(jù)見(jiàn)表3。
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由表3可以看出,在電網(wǎng)或機(jī)組頻率超出頻率人工死區(qū)后,調(diào)速器將會(huì)參與調(diào)節(jié),其開(kāi)度與超出頻率死區(qū)的頻差成正比,電網(wǎng)頻率發(fā)生小波動(dòng)時(shí),一臺(tái)或兩臺(tái)調(diào)速器以較小的調(diào)節(jié)力度調(diào)節(jié)頻率,可以保證頻率在正常范圍之內(nèi)。當(dāng)電網(wǎng)突然發(fā)生大負(fù)荷投退或切除時(shí),對(duì)于孤網(wǎng)運(yùn)行的機(jī)組來(lái)說(shuō),頻率將會(huì)發(fā)生大幅度變化,導(dǎo)致更多機(jī)組參與調(diào)節(jié),造成超調(diào)的現(xiàn)象,同時(shí)由于岔管的原因,使調(diào)節(jié)品質(zhì)更加惡化。為了保證多臺(tái)機(jī)組調(diào)節(jié)的情況下不發(fā)生頻率變動(dòng)較大的現(xiàn)象,對(duì)調(diào)節(jié)規(guī)律進(jìn)行修改,將PID中計(jì)算的頻差減去頻率死區(qū),這樣就可以減少其調(diào)節(jié)力度,即△f(i)=△f(i)-E。
具體做法是在原調(diào)速器PLC負(fù)載子程序中增加一段程序:當(dāng)調(diào)速器為負(fù)載運(yùn)行狀態(tài)時(shí),且為開(kāi)度調(diào)節(jié)或功率調(diào)節(jié)狀態(tài)(頻率調(diào)節(jié)狀態(tài)時(shí)不執(zhí)行該段程序),首先判斷頻差是否大于頻率死區(qū),若大于,則△f(i)=△f(i)-E,反之則△f(i)=0。 見(jiàn)圖 3。
圖3 調(diào)速器PLC梯形修改圖
根據(jù)新的算法,仍然按照原來(lái)模擬頻率得到開(kāi)度變化數(shù)據(jù),見(jiàn)表4。從表中數(shù)據(jù)可以看出,在同樣的頻率變動(dòng)范圍之下,更改程序后的開(kāi)度變化范圍明顯比未修改前的小,這就可以減小機(jī)組在孤網(wǎng)運(yùn)行狀態(tài)下四臺(tái)機(jī)組同時(shí)調(diào)節(jié)的超調(diào)量。
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烏魯瓦提水電廠通過(guò)對(duì)岔管水力情況的分析,找到了孤網(wǎng)狀態(tài)下調(diào)節(jié)不穩(wěn)定的根本原因,通過(guò)對(duì)調(diào)速器工況轉(zhuǎn)換的調(diào)整,參數(shù)的修改、調(diào)節(jié)算法的改進(jìn),解決了困擾多年孤網(wǎng)狀態(tài)下調(diào)節(jié)不穩(wěn)定的問(wèn)題,為地區(qū)電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行提供了有力的保證。
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1672-5387(2011)02-0061-03
2010-10-11
邵彬(1982-),助理工程師,從事水電站生產(chǎn)技術(shù)管理工作。